Die Auswirkungen von Bettruhe, Muskeltraining und Rekonditionierung auf die biomechanischen und viskoelastischen Eigenschaften menschlicher Muskeln, Sehnen und Faszien

Abstract

Hintergrund: Die komplexe Zusammenarbeit des Bewegungsapparates befähigt den Menschen sich auf der Erde zu bewegen. Bei allen Bewegungsabläufen arbeiten verschiedene Muskelgruppen gegen die Schwerkraft. Eine längere Nichtnutzung (disuse) der Muskulatur bewirkt einen Kraft- und Masseverlust. Um eine strukturelle und funktionale Stabilisierung im muskuloskeletalen System und damit eine aufrechte Positionierung des Menschen zu ermöglichen, erhalten die Muskeln einen konstanten Ruhetonus aufrecht. Dieser Mechanismus erfolgt unbewusst. Bisher ist wenig über den Muskelruhetonus (HRMT) und seine komplexe Rolle im Bewegungsablauf bekannt. Es wird vermutet, dass sich dieser bei disuse frühzeitig verändert und der Muskelstatus durch den Muskeltonus beeinflusst werden kann. Der HRMT und weitere biomechanischen Parameter viskoelastischer Strukturen ermöglichen neue Diagnostik- und Therapieansätze bei muskulärer Atrophie. Ziele: Das Ziel dieser Studie ist die nicht-invasive Messung und Beurteilung biomechanischer und viskoelastischer Parameter menschlicher Muskeln, Sehnen und Faszien im Rahmen von Langzeitimmobilisation, Muskeltraining und Rekonditionierung. Methoden: In der RSL Studie verbrachten 24 junge, gesunde männliche Probanden sechzig Tage bei 6° Kopf-Tief-Lage in Bettruhe. Die Probanden wurden in eine Kontrollgruppe (CTR) und in eine Trainingsgruppe (JUMP) unterteilt. Die Trainingsgruppe absolvierte Übungen (reactive jumps) in einem speziellen Sledge-Jump-System (SJS). Mit Hilfe des MyotonPRO wurden verschiedene biomechanische Parameter (Tone [Hz], Stiffness [N/m], Elasticity [log decr] und Relaxation time [ms]) von 11 Strukturen des Bewegungsapparates vor, während und nach der Bettruhe gemessen. Zur weiteren Strukturbeurteilung der Muskulatur wurden zu drei Zeitpunkten (pre, post, recovery) Muskelbiopsien des M. Soleus entnommen und mit Hilfe von immunhistochemischen Reaktionen das intramuskuläre Kollagenfasernetz beurteilt. Ergebnisse: Die größten Veränderungen der biomechanischen und viskoelastischen Parameter im Rahmen von Langzeitimmobilisation, Muskeltraining und Rekonditionierung wurden in der Ober- und Unterschenkelmuskulatur beobachtet. Während der Bettruhe nahmen Tone und Stiffness in beiden Gruppen ab. Das eigens für die RSL Studie konzipierte Training im SJS-System zeigte lediglich im M. Gastrocnemius einen Trainingseffekt. In den Biopsien der Kontrollgruppe zeigte sich eine erhöhte Anti-Kollagen-I Immunoreaktion. Schlussfolgerung: Im Rahmen von Langzeitimmobilisation ist eine Abnahme des HRMT und der Verlust von Steifigkeit der Muskulatur, Sehnen und Faszien zu beobachten. In der Kontrollgruppe zeigt sich ein intermuskulär verdichtetes Kollagenfasernetz. Der HRMT ist ein geeigneter Diagnostikparameter, um den Muskelstatus nach längerem Nichtgebrauch (disuse) objektiv zu beurteilen.

Background: The complex cooperation of the musculoskeletal system enables humans to move on earth. In all movements muscle groups work against gravity. A prolonged disuse of the muscle causes a loss of force and mass. In order to allow a structural and functional stabilization in the musculoskeletal system and thus an upright positioning of the human body, muscles maintain a constant resting tone. This mechanism occurs unconscious. Up to date little is known about resting muscle tone and its complex role in movement. It has been suggested that the human resting muscle tone (HRMT) may change early in case of disuse and that muscle fitness may be influenced by muscle tone. HRMT and other biomechanical parameters of viscoelastic structures enable new diagnostic and therapeutic approaches to muscular atrophy. Objectives: The aim of this study is the non-invasive measurement and assessment of biomechanical and viscoelastic parameters of human muscles, tendons and fascia in the context of long-term immobilization, muscle training and reconditioning. Methods: RSL study included 24 young, healthy, male subjects who remained in bed rest for 60 days in a 6° head-down position. Subjects were randomly divided into a control group (CTR) and a training group (JUMP). The training group performed reactive jumps in a unique sledge jump system (SJS). Using MyotonPRO biomechanical parameters (tone [Hz], stiffness [N/m], elasticity [log decr] and relaxation time [ms]) of 11 musculoskeletal structures were measured before, during and after bed rest. To further assess the structure of the muscles, biopsies of M. soleus were extracted at three points in time (pre, post, recovery) and intramuscular collagen fiber network was analyzed by means of immunohistochemical reactions. Results: The greatest changes in biomechanical and viscoelastic parameters in the context of long-term immobilization, muscle training and reconditioning were found in thigh and lower leg muscles. During bed rest, tone and stiffness decreased in both groups. The training in the SJS, designed especially for RSL study, only revealed a training effect in M. gastrocnemius. The biopsies of the control group showed an increased anti-collagen-I-immunoreaction. Conclusion: After long-term immobilization a decreased HRMT and loss of stiffness in muscles, tendons and fascia can be observed. In comparison the control group shows a more compact collagen fiber net of intermuscular tissue than the training group. HRMT seems to be a suitable diagnostic parameter to objectively assess muscle status after prolonged disuse.